CC BY
28
УДК 621.891
М. I. Пашечко, К. С. ЛенЫ
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПОВЕРХНЕВО1 СЕГРЕГАЦИ АТОМIВ НА ТРИБОЛОГ1ЧН1 ВЛАСТИВОСТ1 ЕВТЕКТИЧНИХ СПЛАВ1В СИСТЕМИ Fe-Mn-C-B-Si,
ЛЕГОВАНИХ Cr
Проведено до^дження сегрегаци amoMie при mepmi евтектичних сплавiв системи Fe-Mn-C-B-Si, легованих Cr. Покриття наносили методом плазмового наплавлення з вико-ристанням порошкових сnлaвiв. Виявлено сегрегaцiю amoмiв C, B i Si на поверхню евтектичних сплaвiв.
1 Вступ
Одним з перспективних шляхiв для тдвищення надшносп i довговiчностi деталей машин i механiзмiв е створення захисних евтектичних покритпв (ЕП). Покриття можна наносити методами плазмового наплавлення та напилення, електродугового наплавлення з використанням порошкових дротiв та шши-ми сучасними та перспективними методами повер-хнево! обробки матерiалiв [1-4]. Це дозволяе, по сутi, створити новий конструкцшний матерiал iз задани-ми властивостями або комплексом фiзико-механiч-них властивостей.
Процес тертя та зношування матерiалiв супровод-жуеться складними фiзико-хiмiчно-механiчними процесами на поверхш тертя.
1снування мехашчно!, молекулярно!, молекуляр-но-мехашчно! та енергетично! теорш тертя i багатьох фiзичних, хiмiчних та теоретичних описiв процесiв тертя [5-11] зумовлено складною природою та рiзно-манiтнiстю фiзико-хiмiчно-мехаmчних явищ, яю його супроводжують. Навiть незначна змiна режимiв тертя може призвести до змiни домiнуючих процесiв.
Тому доцшьним е виявлення та тзнання вщпов-iдно до превалюючо! складово! природи тертя, зношування та мащення з метою побудови узагальню-ючих моделей перебiгу процесу, а також моделей поверхш тертя.
Одним iз метздв, за допомогою якого можна отримати вiдповiдне пiзнання i дослiдження фiзико-хiмiчного стану поверхш тертя е використання Оже-електронно! спектроскопи.
На можливе явище «графггазаци» при тертi вка-зував 1.В. Крагельський [12]. Однак iз-за ввдсут-ностi можливостi аналiзу дуже тонких шарiв вугле-цю юнуючими на цей час традицiйними методами рентгешвського аналiзу, дане явище не було вивче-не.
Особливостi перерозпод^ атомiв вуглецю при фрикцiйному змiцненнi, яке е практично рiзновидн-ютю тертя, виявив Ю.1. Бабей [13].
© М. I. Пашечко, К. С. Ленж, 2008
На процеси поверхнево! сегрегаци aTOMÍB С, Si та Al при терп сплаыв Fe-C, Fe-Si, Fe-Al, Cu-Al, Cu-Sn вказуе Д. Баклi [14]. Однак bíh вiдмiчаe, що про однозначний вплив сегрегаци вуглецю на анти-фрикцшш властивостi сталi вказати важко. З одше! сторони, наявшсть вуглецю на поверхнi тертя зни-жуе адгезiйну взаeмодiю контактуючих твердих тш, а з шшо! - часто зменшуе ефективнiсть змащуван-ня. При цьому слiд вiдмiтити зм^ механiчних вла-стивостей поверхневого шару зпдно вiдомих ефекгiв А.Ф. 1оффе, П.А. Ребiндера, Р. Росско та 1.Р. Крамера [14].
Л.1. Куксьонова та Л.М. Рибакова [11] методом малокутово! рентгенографи дослiдили особливостi будови поверхневого шару при вибiрковому пере-носi мiдi. Показано, що при наявносп на поверхнi поверхнево активних або iнактивних речовин вщбу-ваеться вщповщно пластифiкацiя, за рахунок змен-шення потенцiального бар'еру, який долають дис-локаци при виходi на поверхню твердого тша, або окрихчення матерiалiв [10].
2 Методика експерименту
Структурно-хiмiчнi дослiдження вторинних структур, утворених при зношуванш евтектичних покриттiв, проведено за допомогою методу Оже-електронно! спектроскопи JAMP-10S (JEOL). Зраз-ки вирiзали iз дисков дiаметром 50 мм (зовшшнш) у виглядi сегментiв, на як1 наносили з протилежно! сторони ввд поверхнi тертя концентратори. Сегмента зламували у вакуума Аналiз проводився по поверхнi злому з глибини до поверхш тертя.
Проведена ультразвукова (в диспергатор^ i юнна (у вакуумному посп) очистка. Прискорююча напру-га при аналiзi становила 10 кВ, струм, який погли-наеться зразком - 1 мкА, модулююча напруга - 5 В, залишковий вакуум - 5х 10-7 Па. Кшьшсний аналiз проводився з використанням факторiв елементно! чутливостi для чистих металiв. Перед записом спекав проводилось iонне бомбардування аналь зовано! областi пучком юшв аргону (прискорююча
напруга - 3 кВ, струм юшв ~ 10 -5 А). Для запису cneKTpiB вибирались найбiльш типовi по xiMi4HOMy складу области, типовiсть яких визначалась статис-тичним набором спектрiв, а також за допомогою детектора пружно вщбиваючих електронiв, форму-ючих, зокрема, зображення у режимi СОМРО (composition) у залежносп вiд складу аналiзованоï поверхнi.
Розподiл елементiв визначали за допомогою 8ирегргоЬе-733.
Дослвдження зносостшкосп евтектичних покриттiв на сталi 45 проведено по схемi тертя диск-диск (0 50 мм) з коефщентом взаемного перекриття 0,2. На -вантаження становило 4, 8 та 15 МПа, швидшсть тертя ковзання - 1 м/c, час дослщження - 6 год. Мас-тильне середовище - АМГ10. Реалiзовано граничне мащення. У якостi контртiла використовувалась за-гартована сталь 45 пiсля низького вщпуску, 52...54 HRC. Зносостiйкiсть зразшв визначали ваговим методом, та з допомогою профшографа Suftronic 3+.
Евтектичнi зносостiйкi покриття iз розроблених порошкових сплавiв отримували методом плазмо-вого наплавлення на модернiзованiй установщ [11]. Ввдпрацьовано технологiï плазмового напилення по-криттiв у захиснiй атмосферi аргону, iмпyльсно-плаз-мового напилення, електродугового наплавлення з використанням порошкових дропв, наморожуван-ня, електроiскрового легування та iншi [1-4].
3 Результати дослвджень
В результат! проведених дослiджень зносо-стшкэсп розроблених матерiалiв показано, що пара тертя ев-тектичне покриття - сталь 45 характеризуется най-вищою знососпйшстю (рис. 1). Слщ ввдмгтити, що у пор!внянш !з покриттями, одержаними !з порошкових сплавiв ПГ-СР3 та ПГ-10Н-01 (порошок - аналог 10009 «Боротак», ф!рми Кастолiн, Швейцарiя) евтектичнi сплави характеризуются у 2-10 рази вищою зносостшшстю (рис. 1) [1-3].
Структура покриття, одержаного !з порошкового сплаву системи Fe-Mn-C-B-Si легованого Cr, складаеться !з складнолегованого перлiтy (матрич-на фаза), марганцевистого карб^у залiза Fe0 4Mn3 6C (армуюча фаза) i включень борида зал-iза Fе2B (дисперсiйна фаза). Змiна спiввiдношення Fe, Mn i C у склад! порошкового сплаву суттево впливае на шльшсне сшввщношення матричноï i армyючоï фаз i цим самим сприяе формуванню по-критпв !з до-, за- i евтектичним складами фаз. Збшьшення у склад! сплаву Fe або Mn у пор!внянш !з !'хнiм евтектичним базовим складом приводить до збагачення рiдкоï фази вщповщними атомами. Це сприяе формуванню у структур! покриття бшьшо1' шлькосп складнолегованого перлпу або марганцевистого карбщу зал!за Fe0 4Mn3 6C [1-3].
Рис. 1. Кшетика зношування евтектичних покритлв (1-4), одержаних методом плазмового наплавлення !з порошкових сплав!в ПГ-СР3 (1), ПГ-10Н-01 (2), ПГ-12Н-01 (3), ФМ1-43 (4) i контртша !з загартовано!' стал! 45 (1'-4') при граничному змащуванш
Одержаний природний композит дозволяе реаль зувати оптимальне сшввщношення зносостiйкоi твердо! i демпфуючоi' бiльш пластичноi' матричноi' фаз.
Умови дп на композицiйний сплав середовища (масляне, абразивне, масляно-абразивне та шш) i руйнування ним поверхнi визначають його необхщ-ний хiмiчний склад, структуру, фазовий стан та вла-стивосп.
Зменшення мiкротвердостi евтектично! основи до 6 ГПа змiщуе область максимально! зносостшкосп у сторону бшьш високого (до 60-95 %) вмшту надлишкових твердо! армуючо! складово! та включень. Одержат результати, а також аналiз поверхш тертя сввдчить про наступне. Енергiя тертя акуму-люеться в основному у тдповерхневому шарi, ство-рюе поля напружень, сприяе значному ростовi кiлькостi дефекпв кристалiчно! решiтки, зокрема дислокацiй. Ц явища вiдбуваються у бiльш плас-тичнiй феритнiй складовiй евтектики i призводять до мiкронаклепу i втомних процеив. Пластинки Бе0 4Мп3 6С та дрiбнодисперснi частинки бiльш твердих фаз Ре2Б та Сг?Сз слугують перешкодами для перемiщення дислокацiй i не дозволяють !м на-копичуватися i трансформуватися у об'емнi дефекта (пори, трщини). Завдяки високому ступеню ди-ференцiйованостi евтектичних складових вказанi
процеси локатзуються у мiжпластинчастих об'емах евтектики шириною 1-5 мкм.
Слiд вiдмiтити, що демпфуючi властивосп мат-рицi при абразивному зношуванш менш важлив^ нiж при терп ковзання.
Таким чином виявлено вплив структури евтек-тичних покриггiв на 1х зносостiйкiсть i встановлено, що найбшьшою зносостiйкiстю в умовах тертя ков -зання характеризуються покриття iз доевтектичною структурою, а в умовах ударно-абразивного зношу-вання - iз вмютом твердих фазових складових 6095 %. При цьому менш тверда покриття можуть мати бiльш високу зносостiйкiсть. При абразивному зношуванш зносостiйкiсть покритпв збiльшуеться про-порщйно твердостi [1-4].
При цьому, чим бшьш пластичною i м'якою в дослщжуваному дiапазонi навантажень е евтектика, тим бiльшу долю енергп тертя вона сприймае i мае бшьшу схильнiсть релаксувати напруження. Вщпо-
ввдно, менша доля енерги при терп буде витрачатись на втомнi процеси в твердих фазових складових.
Жодних змш в розподш атомiв С, 81, N1, Мп, В, Бе, Сг на поверхнi тертя в результат мжрорентгеш-вського аналiзу (8ирегргоЬу-733, СашеЪах) не ви-явлено (рис. 2, 3).
Проведенi з використанням спектроскопи А^ег'а дослiдження дозволили виявити сегрегацiю на поверхню тертя ашшв, яка вiдбуваеться при зношуванш розроблених евтектичних покритпв на основi системи Бе-Мп-С-В легованих 81, Сг. Виявлено сильне тдвищення С, В та 81 на поверхш тертя (табл. 1, рис. 4). Зокрема у порiвняннi iз порошковим сплавом концентрацiя С, В та 81 збшьшуеться вщповвдно вiд 0,9 до 1,2; ввд 2,7 до 8,3; вiд 2,6 до 19,9 мас. %.
Форма шив спектра вуглецю дозволяе зробити висновок, що вш знаходиться у вшьному (аморфному) сташ.
Таблиця 1 - Вмют елементiв у порошковому сплавi i на поверхш тертя (мас. %)
Система Бе Мп С В 81 N1 Сг О 8 Р
Порошковий сплав
Бе-Мп-С-В-81-Сг (РМ1-43) 79,55 4,4 0,9 2,7 2,6 - 9,8 - 0,03 0,02
Поверхня тертя
Бе-Мп-С-В-81-Сг (РМ1-43) 60,1 3,9 1,2 8,3 15,9 - 9,5 1,1 - -
а б
Рис. 2. Розподш атом1в С (а) та Бе (б) по глибиш евтектичного сплаву системи Бе-Мп-С-В, легованого Сг (РМ1-43) на стал1 45, одержаного методом плазмового наплавлення Х1000
Чти
О J о iiî fitf AT roa по I. IT.]
а
% тля
1_I_I_I_!_I_L
а ьо во Go fee 200
в
Рис. 3. Розподш елеменпв по глибиш евтектичного сплаву системи Fe-Mn-C-B, легованого Cr (PMI-43) (a) i покриття на стал 45, одержаного методом плазмового наплавлення (б, в)
Головною вщмшною ознакою процесу тертя е вщсутшсть дифузiï кисню i3 атмосфери повиря у глибину покриття. Максимальна локальна шльюсть кисню 1,1 ат. % сввдчить про вiдcутнicть процеciв фазоутворення великоï юлькосп окcидiв на поверхш тертя евтектичного покриття. Утворення окcидiв можливе на фiзичних плямах контакту.
Тобто однозначно можна стверджувати про не-можливicть утворення cуцiльноï плiвки окcидiв на поверхнi тертя та окиснення сплаву.
4 Дискусiя
Особливо важким е експериментальне дослщ-ження особливостей структурних змiн в тонких по-верхневих шарах iз мiкрокриcталiчною, або навiть нанокриcталiчною i аморфною структурою.
При хаотичному розмщенш атомiв icнуе впоряд-кування близького порядку, в якому домiнують вiдповiднi проcторовi конфiгурацiï, як наcлiдок по-яви вщповщних хiмiчних зв'язк1в.
ЭО
80 -
Ш 111>р 0111 К (1Н И И 1' 11.111 н □ [Юнсрхнв ТЁрТЯ
Ре Мп С В Сг О
Рис. 4. Розподш елементiв на поверхнi тертя та у порошковому сплавi системи Ре-Мп-С-В, легованого Сг
Т
Рщина у
Гшина /
/ - Тг идишт + щна
5 Ю2 +
пдина
ЯО, + В;0
|
30 60
ВмктЭЮ, [%]
£0 1М
Рис. 5. Дiаграма стану В203-8102
На ф1зичних плямах контакту поверхт тертя мож-ливе утворення оксидних фаз системи В2О3-8Ю2, оксид1в зал1за та нестехюметричних на 1хнш основт Температура плавлення системи В2О3-8Ю2 збшьшуеться в1д 450 (температура плавлення В2О3) до 1650 °С (температура плавлення 81О2) (рис. 5). Таким чином можна стверджувати, що в процеа тертя внаслвдок сегрегаци ашшв В та 81 на поверхш композиту можливе утворення стех1ометричних ок-сид1в В2О3, 8Ю2 в1дпов1дно системи В2О3-8Ю2, 1 нестех1ометричних на 1хнш основ1, як1 при в1дпов1дних режимах тертя розм'якшуються або переходять в рщкий стан. Це сприяе зменшенню коеф1ц1ента тертя до ве-личини, яка вщповвдае коеф1ц1енту тертя у рвдит [15].
Наявн1сть вуглецю у форм1 граф1ту забезпечуе, в1дпов1дно, мащення поверхн1 тертя та зменшення коефщента тертя [13].
Беручи до уваги те, що температура плавлення В2О3 становить 450 °С, В2О3-8Ю2-450-1650 °С можна зробити висновок про те, що температура в зош тертя перевищувала 450 °С. Розплавлена пл1вка В2О3, або В2О3-81О2, що утворилася при терп, слугу е мастилом. Вона запоб1гае п1двищенню темпера-тури на поверхн1 тертя вище температури плавлення В2О3 або композицл системи В2О3-8Ю2. Пл1вку, що утворилася, називають сервовитною (в1д латинсь-кого слова 8егуоук - забезпечити життя).
5 Висновок
Таким чином, одержат результати дозволили виявити новий ефект у трибологп композицiйних дисперсшно змiцнених евтектичних сплавiв на ос-новi системи Fe-Mn-C-B. При зношуванш вщбува-ються iнтенсивнi дифузiйнi процеси, як1 призводять до сегрегацiï i, вiдповiдно, зростання на поверхнi тертя вмюту С, В та Si. В та Si найбшьш ймовiрно утворюють на фiзичних плямах контакту оксиди. Вуглець перебувае у вшьному станi. Це призводить до зменшення коефiцiента тертя, а, вiдповiдно, до тдвищення зносостшкосп евтектичних сплавiв.
Доцшьним е проведення подальших дослiджень з метою встановлення механiзму зношування повер-хневих шарiв iз врахуванням сегрегаци ашшв С, В та Si в процеа тертя i самооргашзацп поверхш.
Перелж посилань
1. Пашечко М.1, Чернець М.В., Опеляк М., Ком -ста Г. Поверхневе руйнування та змiцнення матерiалiв. - Львiв: Gвросвiт, 2005. - 384 с.
2. Чернець М., Пашечко М., Невчас А. Методи прогнозування та шдвищення зносостiйкостi триботехнiчних систем ковзання. Т.2 Поверхневе змщнення конструкцшних матерiалiв три-босистем ковзання. В 3-х томах. - Дрогобич: Коло, 2001. - 512 с.
3. Пашечко М.И., Голубец В.М., Чернец М.В. Формирование и фрикционная стойкость эвтектических покрытий. - К.: Наук. думка, 1993. - 344 с.
4. Голубец В.М., Пашечко М.И. Износостойкие покрытия из эвтектики на основе системы Fe-
Mn-C-B. - К.: Наук. думка, 1989. - 160 с.
5. Костецкий Б.И. Фундаментальные закономерности трения и износа. - К.: Знание, 1981. - 30 с.
6. Чичинадзе А.В., Браун Е. Д., Гинсбург А.Г. и др. Расчет, испытание и подбор фрикционных пар. - М.: Наука, 1979. - 267 с.
7. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчета на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 256 с.
8. Трение и износ фрикционных материалов /Под. ред. А.В. Чичинадзе. - М.: Наука, 1977. - 135 с.
9. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. - К.: Техника, 1970. - 396 с.
10. Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение ,1985.-424 с.
11. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металлов. - М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.
12. Крагельский И.В., Трение и износ. - М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.
13. Бабей Ю.И. Физические основы импульсного упрочнения стали и чугуна. - К.: Наук. думка, 1988. - 240 с.
14. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии. -М.: Машиностроение, 1986. - 360 с.
15. Pashechko M., Lenik K.: Segregation of atoms of the eutectic alloys Fe-Mn-C-B at friction wear. Journal of Achivements in Materials and Manufacturing Engineering. Volume 18, ISSUE 12, 2006, S. 467-470.
Поступила в редакцию 29.05.2008
Проведены исследования сегрегации атомов при трении эвтектических сплавов системы Fe-Mn-C-B-Si, легированных Cr. Покрытия наносили методом плазменного наплавле-ния с использованием порошковых сплавов. Выявлена сегрегация атомов C, B и Si на поверхность эвтектических сплавов.
Segregation of atoms at the friction of eutecticum alloys of the system ofFe-Mn-C-B-Si alloyed Cr are investigated. They are received in plasma surfacing by welding on base of powder alloy. The result has been definition surface segregation C, B and Si on the surface of eutecticum alloys.
